中国距离最先进的光刻机还有多远？（一）光源差距分析

　　世界光刻机的顶尖企业为荷兰ASML，其生产的EUV3400B光刻机代表了当今最高水平，可以制造5nm芯片。中国光刻机领头企业为上微电子，其SSA600/20光刻机代表中国最高水平，只能制造90 nm芯片。

　　数字的差距已经很大，但实际上技术的差距远远超过数字的距离。因为光刻机从90nm、65nm、45nm、28nm、14nm、7nm、3nm，每个等级都是一个技术台阶，而每个台阶的技术都是一次巨大的升级换代，甚至就是对前面技术的完全颠覆。其中从65nm到45nm就是一个巨大鸿沟，要完成这个技术跨越难度非常大。

　　可见，我们离一台先进光刻机差距极大，而具体到光刻机每一个系统的每一项技术，那鸿沟更大，所以网上经常宣布马上可以国产28nm、14nm的光刻机的消息，你大可直接忽视。

　　光刻机可分为五大系统：照明系统（光源、光路）、镜头系统、工作台系统、搬送系统、对准标记系统。每个系统都是世界最顶尖技术的体现，整台光刻机就是世界科技发展的最顶尖技术的集合。

　　其中，光源是光刻机的核心技术之一，本文只针对光源差距进行分析。

　　光刻机的换代很大程度就是光源技术有了新突破的结果。到目前，光刻机发展了五代，具体见下表：

　　今天分析ASML、上微电子这两家公司的光源技术来探究中国在这方面与世界的差距。

　　| 01 ASML技术

　　ASML采用的是EUV光源，即极紫外光，制造企业为美国Cymer公司，这是世界顶级光源企业，能生产极紫外光源的企业只此一家别无分店。Cymer于2012年被ASML收购后只为其供货。EUV光源可以提供波长为13.5nm的光，可以制造5nm的芯片。

　　Cymer 是采用“激光等离子体”技术制造极紫外光，原理就是用二氧化碳激光照射纯锡液滴，将其加热成等离子体射线，这就是EUV光源。貌似很简单，这里有3个指标是我们难以企及的：

　　第一，因为空气吸收极紫外光，所以所有光的制造和传送都须在真空环境进行。第二，真空管里的锡液滴喷射量需要达到每秒钟5万滴。第三，光源功率需250瓦，而3nm芯片光源功率需500瓦，1nm需恐怖的1千瓦。当年EUV光刻机原计划2004年面世，就是因为光源功率达不到250瓦而足足等了13年才生产。而最关键的是这一切设备都必须整合在一台空间很小的光刻机里。

　　| 02 上海微电子技术

　　上海微电子采用的是ArF光源，就是准分子激光，制造企业未公布，不过ArF光源只有两家公司能为企业供货，分别为美国Cymer和日本Gigaphoton，Cymer只为ASML提供产品，估计日本Gigaphoton的可能性较高。ArF可以提供波长为193 nm波长的光。

　　北京科益虹源光电公司是第三家可生产ArF光源的企业，但目前只能制造40瓦的ArF干式光刻机的样机，新一代60瓦的ArF浸没式光刻机还在技术攻关。因此，科益虹源还不能为企业供货。

　　从中可以看出，一是我们还没有制造EUV光源的技术，落后一代的ArF光源技术还处在初级阶段。二是我们的光源功率还只有40瓦，离EUV250瓦还隔好几条街。

　　| 03 国家02专项攻关进展

　　为推进国产光刻机追赶国际水平，国家启动《极大规模集成电路制造技术及成套工艺》项目，由多家企业、科研单位参与，协作攻关，取得一定突破，其中光源方面有以下进展：

　　光源系统由中科院光电研究院负责牵头，主要是ArF光源，此项目已取得突破性进展，其旗下的北京科益虹源已于2017年通过40瓦ArF光源技术验收，但离应用还有一段距离，并且也只能用于较落后的干式光刻机。EUV光源由哈工大研究，其DPP-EUV光源功率才接近12瓦，情况不容乐观。

　　2021年2月，清华大学在实验室发现新型粒子加速器光源，这种又被称为稳态微聚束的光源具有高功率、高重频、窄带宽等系列特点，可作为未来EUV光刻机的光源，不过此研究还在实验室验证阶段，距应用还有很长的路。